Comportamiento inesperado del filtro de segundo orden Sallen-Key

Encontré un comportamiento inesperado cuando simulé bajo Multisim (National Instruments) el circuito Sallen-Key que se muestra en la imagen a continuación.

Orden de filtro de paso bajo Sallen-Key 2

El circuito está diseñado para recibir una onda sinusoidal modulada de 1,8 kHz como entrada. Las ecuaciones son:

  • H ( j ω ) = k ( ω ω 0 ) 2 + j 1 q ω ω 0 + 1
  • k = 1 + R b R a
  • F 0 = 1 2 π metro norte R 1 C 1
  • q = metro norte metro + 1 + metro norte ( 1 k )

Los valores que se me imponen son:

  • norte = 1
  • C 1 = 100 norte F
  • R a = 1 k Ω

Para mi situación, elijo y/o calculo los siguientes valores:

  • R b = R 1 = R a = 1 k Ω
  • metro R 1 = 470 Ω
  • C 1 = norte C 1 = 100 norte F
  • F 0 = 2300 H z
  • q = 2 2

Entonces, el esquema del circuito es el siguiente

Circuito esquemático Sallen-Key

Y la simulación del diagrama de Bode da:

Simulación de diagrama de Bode

Y simplemente no sé cómo es posible levantarse después F 0

Si alguien ve el donde esta el problema.

Desde ya agradezco a quien me pueda dar alguna idea.

Aquí está la lista de conexiones esquemática (cambié algunos valores pero el comportamiento es casi el mismo)

** PasseBasOrdre2 **
* 
* NI Multisim to SPICE Netlist Export
* Generated by: Dim
* Mon, Nov 18, 2013 20:46:37 
*

*## Multisim Component U1 ##*

xU1 1 3 VPOS VNEG BasculeSeuil 5T_VirtualU1 params: Vos=0.001 Ibias=8e-008 Ioffset=2e-008

Av=200000 BW=100000000 SR=1000000 CMRR=100 Iomax=0.025 Rin=10000000 Rout=10

.subckt 5T_VirtualU1  In_p In_n Vpos Vneg Out params: Av=200k BW=20Meg CMRR=100

+SR=1Meg Rout=75 Iomax=25m Rin=100meg Vos=0.1m Ibias=1n Ioffset=1p

.param Rp1=1e6

.param Rs1=1e6

.param K_Is2a=sqrt(Av)/Rs1

.param K_Is2b=sqrt(Av)/Rp1

.param Cp1={Av/(2*pi*BW*Rp1)}

.param CMRR_lin=10**(CMRR/20)

Rin In_p In_n {Rin}

Bcm 4 3 V = { V(cm)/CMRR_lin}

Voff In_p 4 {Vos}

Ibias1 In_p 0 {Ibias}

Ibias2 In_n 0 {Ibias}

Ioffset In_p In_n {Ioffset/2}

Rcm1 In_p cm 10meg

Rcm2 In_n cm 10meg

BIs1a vref vs2a I = { K_Is2a*(V(3)-V(In_n)) }

Rs1 vs2a vref {Rs1}

BIs2b vref vs2b I = { K_Is2b*(V(vs2a)-v(vref)) }

Rp1 vs2b vref {Rp1}

VCp1sense vs2b vs2b_ 0

Cp1 vs2b_ vref {Cp1}

D3 vs2b_ 8 Limit_Diode  

D4 8 vpos Limit_Diode  

B_SRp 8 vpos I={I(VCp1sense)- (Cp1*SR)}

D5 10 vs2b_ Limit_Diode

D6 Vneg 10 Limit_Diode

B_SRn Vneg 10 I={-1*I(VCp1sense)-(Cp1*SR)}

DVpclip vs2b_ Vpos V_limit

DVnclip Vneg vs2b_ V_limit

Bout vref out_ I={(V(vs2b)-v(vref))/Rout}

Rout vref out_ {Rout}

Voutsense out_ out 0

D9 out 15 Limit_Diode  

D10 15 vpos Limit_Diode  

B_outp 15 vpos I={I(Voutsense)- Iomax}

D11 16 out Limit_Diode

D12 vneg 16 Limit_Diode

B_outn vneg 16 I={-1*I(Voutsense)-Iomax}

R5 Vpos mid 1000000

R6 mid Vneg 1000000 

Eref vref 0 mid 0 1

.MODEL Limit_Diode  D (IS= 1.0e-12)

.MODEL V_limit D(n=0.1)

.ends

*## Multisim Component R3 ##*

rR3 1 2 1000 vresR3  

.model vresR3 r(  )

*## Multisim Component V3 ##*

vV3 0 VNEG dc 5 ac 0 0
+           distof1 0 0
+           distof2 0 0

*## Multisim Component V2 ##*

vV2 VPOS 0 dc 5 ac 0 0
+           distof1 0 0
+           distof2 0 0

*## Multisim Component V1 ##*

vV1 4 0 dc 0 ac 1 0
+      distof1 0 0
+      distof2 0 0
+      sin(0 {1*1.414213562} 1800 0 0 0)

*## Multisim Component R4 ##*

rR4 2 4 390 vresR4  

.model vresR4 r(  )

*## Multisim Component R1 ##*

rR1 3 0 68000 vresR1  

.model vresR1 r(  )

*## Multisim Component R2 ##*

rR2 BasculeSeuil 3 33000 vresR2  

.model vresR2 r(  )

*## Multisim Component C2 ##*

cC2 1 0 1e-007

*## Multisim Component C1 ##*

cC1 BasculeSeuil 2 1e-007
Tiene que ser suministro único? Repita la simulación con rieles de +/- 5V y vea qué sucede.
La señal de CA en un OPAMP de suministro único no dará resultados de libros de texto
Para los comentarios anteriores, recuerde que la simulación que se muestra arriba es una simulación de CA que se linealiza sobre el punto de operación. No hay recorte, ni comportamiento no lineal en absoluto para el análisis de CA. Ahora, puede ser que el punto de operación esté dando algunos parámetros de señal pequeña inusuales para la simulación de CA y esa puede ser la raíz del problema.
¿Dónde encontraste una imagen de un circuito de amplificador operacional con etiquetas "i" y "ni" para las entradas? Me pregunto si esta era una práctica común alguna vez. No recuerdo haber visto tal notación.
Eche un vistazo a ti.com/lit/an/sloa024b/sloa024b.pdf y busque el "efecto de la impedancia de salida". ¿Podría ser eso? Aunque se muestra en un rango de frecuencia demasiado bajo en este caso.
@Kaz Entonces, si entendí bien lo que nos dice el documento, el efecto de impedancia de salida en los filtros Sallen-Key siempre aparece en altas frecuencias. El problema es que el capacitor C 1 se impone, y el ajuste de las resistencias de entrada no cambia para resolver este problema.

Respuestas (3)

No tienes la conexión a tierra configurada correctamente. En este momento, está ejecutando el circuito alrededor del riel de suministro negativo del amplificador operacional, por lo que está recortando la parte inferior de la forma de onda. Debe convertir esto en un diseño de riel dividido. Esto se puede hacer cambiando los suministros opamp de 5v y 0v a +2.5v y -2.5v o cambiando la conexión a tierra del resto del circuito a +2.5v. E intente usar una señal de entrada de 1vrms ya que 5vrms excederán sus rieles de suministro.

Gracias por responder. Pero siempre tengo el mismo diagrama de Bode cuando tomo en consideración lo que dijiste.
@ user32866, reemplace el modelo opamp con un modelo de amplificador de voltaje ideal con una ganancia muy grande y verifique los resultados de su simulación de CA para ver si están de acuerdo con la teoría. Si es así, está pasando algo extraño con el modelo opamp.
@AlfredCentauri, con un opamp ideal, con mala conexión a tierra resuelta, obtengo los mismos resultados. Sólo la forma es un poco mejor.
@diminus, eso es muy extraño. ¿Podrías publicar la netlist?
@AlfredCentauri Agregué la lista de conexiones al final de la pregunta. Cambié algunos valores, pero el comportamiento sigue siendo el mismo.

El LT1490 tiene una baja impedancia de salida: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

A 10kHz, su impedancia de salida supera los 100 ohmios: el condensador de retroalimentación de 100nF, a 10kHz tiene una impedancia de 159 ohmios, ya no se comporta como un filtro decente y a 100kHz, la impedancia de salida es estúpidamente alta, mientras que 100nF es 15,9 ohmios. .

Elegir un mejor amplificador operacional es lo que recomendaría.

Andy lo logró, pero tal vez no dejó las implicaciones lo suficientemente claras.

Suponga que el circuito es un LPF perfecto y, por lo tanto, la salida del opamp es 0 a altas frecuencias. Ahora tenga en cuenta la impedancia de salida del gráfico de Andy; con ganancias bajas, por encima de 20 kHz, será de 1 kilohm o más.

Ahora vuelva a dibujar una aproximación de alta frecuencia a su circuito, y se ve así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

y tendrá unos pocos dB de atenuación en frecuencias altas como sugieren sus mediciones (mejorando en frecuencias más bajas donde mejora el Zout).

Puede mejorarlo eligiendo todas las resistencias al menos 10 veces más altas que Zout, pero si no puede cambiar el valor de C1, eso no le dará la respuesta de frecuencia que desea. Entonces la única respuesta es, como dice Andy, un amplificador operacional mejor.